叉-桿傳動(dòng)在閥門操作中的應(yīng)用

(天津冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300400)

一、概述

對(duì)于傳動(dòng)裝置而言，一般講在電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的情況下，其電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)及輸出都受到一定的限制。輸出功率較大的電動(dòng)裝置多以回轉(zhuǎn)電動(dòng)裝置與二級(jí)減速器的組合型式進(jìn)行。通常，大傳動(dòng)比傳動(dòng)的二級(jí)減速器常采用蝸輪-蝸桿傳動(dòng)方式。雖然蝸輪-蝸桿傳動(dòng)具有傳動(dòng)比大和工作平穩(wěn)等特點(diǎn)，但輸出扭矩的損失較多。由蝸輪和蝸桿作為驅(qū)動(dòng)減速裝置，如閥門(球閥、蝶閥等)的驅(qū)動(dòng)裝置，其扭矩特性不好。如果采用齒輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)大傳動(dòng)比，則傳動(dòng)裝置勢(shì)必體積大而且傳動(dòng)效率低。如采用本文所述的叉-桿機(jī)構(gòu)作為驅(qū)動(dòng)減速裝置實(shí)現(xiàn)大閥門的啟閉則可以解決以上問題。

二、叉-桿裝置的結(jié)構(gòu)

實(shí)現(xiàn)直線移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換的是桿和撥叉。叉-桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由撥叉、輸出軸、限位螺釘、運(yùn)動(dòng)滾輪組成(見圖1)。撥叉用鍵固定在輸出軸上；傳動(dòng)軸(作為叉-桿傳動(dòng)的主動(dòng)側(cè))安裝在氣缸活塞桿的端部。傳動(dòng)軸隨氣缸拉桿的伸縮而上下移動(dòng)；滾輪(安裝在傳動(dòng)軸上)在撥叉內(nèi)移動(dòng)迫使撥叉擺動(dòng)。氣缸及導(dǎo)向桿兩端固定在箱體上。

圖1 叉-桿結(jié)構(gòu)

當(dāng)氣缸進(jìn)、排氣時(shí)，傳動(dòng)軸在活塞的推拉下做上下移動(dòng)并帶動(dòng)安裝在傳動(dòng)軸上的滾輪在撥叉內(nèi)移動(dòng)，使撥叉擺動(dòng)。撥叉的回轉(zhuǎn)擺動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) —— 閥門啟閉件(球體或蝶板)實(shí)現(xiàn)啟閉動(dòng)作。撥叉上設(shè)有可調(diào)式螺桿機(jī)構(gòu)作機(jī)械限位用。

三、特點(diǎn)

1.叉-桿型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的扭矩特性較好。其雙滾輪導(dǎo)向結(jié)構(gòu)能有效地在撥叉內(nèi)移動(dòng)，并能承受撥叉擺動(dòng)中產(chǎn)生的徑向力，降低了磨損，提高了傳動(dòng)精度，延長(zhǎng)了部件的使用壽命。

2.傳動(dòng)軸與滾輪采用分體式結(jié)構(gòu)，成本低，維修方便。氣缸及導(dǎo)向套筒采用雙支座支撐剛性好，移動(dòng)平穩(wěn)。

3.與蝸輪-蝸桿傳動(dòng)比較，叉-桿型減速器傳動(dòng)效率高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本和維修成本低。

4.可操作性高，操作靈活；由于滾輪移動(dòng)范圍小且靈活，不會(huì)產(chǎn)生卡死現(xiàn)象。

5.可控性高，可實(shí)現(xiàn)任意位置的操縱。應(yīng)用于閥門啟閉時(shí)可根據(jù)要求實(shí)現(xiàn)閥門的開啟。

四、計(jì)算

圖2 撥叉

1.輸出力矩的計(jì)算(參見圖2)

M= ηQL/cos2α —— (1)

式中

M - 輸出軸的輸出力矩

η- 傳動(dòng)效率

Q - 氣缸活塞桿作用于傳動(dòng)軸上的軸向力

α- 輸出角行程

L - 撥叉與傳動(dòng)軸中心距

2. 氣缸推拉力的計(jì)算

設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)使輸出預(yù)定的角行程與所需的氣缸行程相匹配，以確保閥門的開度指示與實(shí)際輸出的角行程相符合。下面的計(jì)算以閥門的開啟和關(guān)閉為例：

氣缸推力

P1=ηF*A1 —— (2)

氣缸拉力

P2=ηF*A2 —— (3)

公式中：

P1-氣缸產(chǎn)生的推力，P2 -氣缸產(chǎn)生的拉力，η - 傳動(dòng)效率，F(xiàn) - 氣體壓強(qiáng)，A1 - 氣缸內(nèi)活塞面積，A2 =1/2 Л (R2- r2)，R- 活塞半徑，r - 活塞桿半徑，活塞的行程：

S=L*tg-1α—— (4)

2S- 氣缸活塞行程，α- 輸出角行程，L - 撥叉與傳動(dòng)軸中心距。

為保證活塞運(yùn)行平穩(wěn)，氣體回路上安裝有阻尼裝置，在此不作詳述。從上面的公式中可以看出，影響撥叉擺動(dòng)的因素為L(zhǎng) 、P 及α ， 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮； L 越大，撥叉轉(zhuǎn)動(dòng)所需驅(qū)動(dòng)力越小。但不宜取值過大，否則.對(duì)活塞桿作用的附加力矩將影響其剛性。

五、扭矩特性

從上述公式可以看出，其傳動(dòng)軸受到的軸向推力Q 及撥叉與傳動(dòng)軸之中心距L 為定值，而減速器的輸出角行程α為變量。在撥叉回轉(zhuǎn)過程中，其值在 -45 - +45°之間變化。因此，在輸出扭矩一定的情況下，撥叉回轉(zhuǎn)全過程中所需的推拉力，即撥叉的扭力也隨著角行程的變化而變化。如撥叉結(jié)構(gòu)圖2(b)所示, 當(dāng)導(dǎo)向滑槽的對(duì)稱中心線與撥叉及傳動(dòng)軸的中心連線重合，其撥-叉扭矩特性如圖3所示，在角行程為 45°和 -45°時(shí)輸出軸扭矩最大且相等。角行程中點(diǎn)的扭矩最小。

對(duì)于有特殊要求的裝置，如球閥和強(qiáng)制密封蝶閥的最大扭矩值出現(xiàn)在關(guān)閉終了和開啟初始，即角行程等于0°的瞬間。因?yàn)樵陉P(guān)閉終了的瞬間密封副間將產(chǎn)生強(qiáng)制密封力矩，以保證可靠的密封性。而在開啟初始的瞬間，除需要克服密封副間的摩擦力矩外，還需克服密封副間的粘滯力矩。

為了使叉-桿傳動(dòng)具有適應(yīng)于球閥和蝶閥的輸出扭矩，將撥叉導(dǎo)向槽的對(duì)稱中心線繞傳動(dòng)軸中心相對(duì)于撥叉輸出軸與傳動(dòng)軸兩中心連續(xù)順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)角度θ(見圖4)，此時(shí)的關(guān)閉終了(開啟初始)瞬間的輸出軸扭矩

圖3 輸出軸扭矩特性

圖4 撥叉順時(shí)針旋轉(zhuǎn)

Mc =ηQLcosθ/cos (α+ θ) cosα ——(5)

而開啟終了(關(guān)閉初始)瞬間的輸出軸扭矩

Mo= ηQLcosO/cos(α -θ) cosα——(6)

顯然， Mc/ Mo >l 即 Mc > Mo

一般θ取8° -10°較為合適，其扭矩特性見圖3。

六、結(jié)語

叉-桿傳動(dòng)減速器具有結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)效率高，扭矩特性好等特點(diǎn)，是密閉型球閥和蝶閥的理想驅(qū)動(dòng)裝置。

參考文獻(xiàn)：

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